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Inhalt und Einsatz im Unterricht "Epigenetik" (Biologie Sek. II)

Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Epigenetik" für die Sekundarstufe II. - Der Film "Genom, Epigenom und Proteom" ist auch für gute Lerngruppen der 9. Klasse geeignet.

Im DVD-Hauptmenü finden Sie insgesamt 4 Filme:

Genom, Epigenom & Proteom 9:20 min Gen-Inaktivierung durch DNA-Methylierung 10:40 min Gen-Aktivierung durch Histon-Acetylierung 6:50 min RNA-Inaktivierung durch mi- & siRNAs 8:30 min

(+ Grafikmenü mit 8 Farbgrafiken)

Die Filme erklären mithilfe aufwändiger und impressiver 3D-Computeranimatio-nen beispielhaft den aktuellen Forschungsstand in der Epigenetik. Der erste Film führt in die Thematik der Epigenetik ein und erklärt wiederholend die bereits be-kannten Begriffe "Phänotyp" und "Genom". Weitere Begriffe wie Phänom, Epige-nom und Proteom werden eingeführt. Im Überblick werden die epigenetischen "Instrumente" eingeführt: Methylierung, Acetylierung und RNA-Interferenz.

Der zweite Film schildert detailliert die DNA-(De-)Methylierung unter diversen As-pekten und bringt u.a. als Beispiel die Erfahrungsvererbung bei "Acetophenon-Mäusen". – Im dritten Film werden die Histon-Acetylierung detailliert und die His-ton-Methylierung beiläufig erklärt. – Der vierte Film zeigt die Entstehung und Funktion verschiedener mikro-RNAs und erläutert die Begriffe "gene silencing" und "RNA-Interferenz" (RNAi) ausführlich.

Alle Informationen sind nach aktuellen, wissenschaftlichen Erkenntnissen aufbe-reitet. Die Inhalte der Filme sind stets altersstufen- und lehrplangerecht aufberei-tet. Die vier Filme bieten Querbezüge, bauen aber inhaltlich nicht streng aufei-nander auf. Der erste Film empfiehlt sich für den thematischen Einstieg, die 3 Detailfilme können in beliebiger Reihenfolge eingesetzt werden.

Didaktischer Hinweis: DNAs, RNAs, Enzyme etc. sind im Interesse der Über-sichtlichkeit stark stilisiert dargestellt.

Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD:

8 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs)

10 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)

Im GIDA-Testcenter (auf www.gida.de) finden Sie auch zu dieser DVD interaktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten, ausdrucken etc.

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Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVD Über den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die Dateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM". In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei

index.html

Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial der DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und DVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.).

Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich au-tomatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den Adobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben).

Die Arbeitsblätter ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich der Kerninhalte der DVD. Einige Arbeitsblätter sind am PC elektronisch ausfüllbar, soweit die Ar-beitsblattstruktur und die Aufgabenstellung dies erlauben. Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie auch einzelne oder alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.

Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:

Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek.I + II)

Unser Dank für die Unterstützung unserer Produktion geht an:

POND5

Inhaltsverzeichnis Seite:

DVD-Inhalt – Strukturdiagramm 4

Die Filme Genom, Epigenom & Proteom 5 Gen-Inaktivierung durch DNA-Methylierung 8 Gen-Aktivierung durch Histon-Acetylierung 11 RNA-Inaktivierung durch mi- & siRNAs 13

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DVD-Inhalt – Strukturdiagramm

Genom, Epigenom & Proteom

Hauptmenü

Gen-Inaktivierung durch DNA-Methylierung

Gen-Aktivierung durch Histon-Acetylierung

Filme

Menü Grafiken

"proteinogene Gene" im Genom

Grafiken

Proteintypen

Vom Genom zum Phänom

CpG-Methylierung

CpG-Insel in Promoter

Nukleosom

miRNA-Interferenz

siRNA-Interferenz

RNA-Inaktivierung durch mi- & siRNAs

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Genom, Epigenom & Proteom Laufzeit: 9:20, 2017

Lernziele: - Die Begriffe Phänom, Genom, Epigenom, Proteom, Metabolom im Zusam-

menhang einordnen können; - Die epigenetischen Instrumente "Methylierung", "Acetylierung" und "RNA-In-

terferenz" kennenlernen; - Verschiedene microRNA-Typen und ihre Funktionen kennenlernen.

Inhalt: Der Film rekapituliert zunächst Inhalte aus unserer Genetik-DVD-Reihe: Die Be-griffe "Phänotyp" und "Genom" werden im Filmverlauf unter neuen Aspekten er-weitert um die Begriffe "Phänom", "Epigenom", "Proteom" und "Metabolom".

Dann greift der Film noch einmal eine erstaunliche Erkenntnis des "Human Ge-nom Projects" aus dem Jahr 2003 auf: Die menschliche DNA besitzt zwar 3,3

Milliarden Basenpaare. Aber es gibt nur etwa 25.000 Gene, die als Vor-lage zur Proteinbiosynthese an den Ribosomen dienen.

Es wird die Frage aufgewor-fen, welche RNA-Typen von den "übrigen" 98% der DNA transkribieren werden und welche Funktion sie erfüllen.

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Im weiteren Verlauf schildert der Film die Entdeckung variabler Markierungsmus-ter ("Methylierungen") an vielen Genbereichen der DNA und zeigt, wie die Tran-skription einzelner Gene dadurch regelrecht an- und abgeschaltet werden kann. Die Wissenschaft ist einem zweiten Code des Lebens auf die Spur gekommen: Dem sogenannten "epigenetischen Code" (griechisch: epi = darüber, dazu).

Weitere Erbgut-Markierungen finden sich an den Nukleosomen des Chromatin-fadens: Die Genaktivierung durch Acetylierung der Histonfortsätze wird ausführ-lich geschildert – ebenso die Geninaktivierung durch Histonmethylierung.

Der Film entwickelt diese Erbgut-Markierungen weiter zum Begriff "Epigenom". Durch Stress (z.B. Hunger, Angst) kann eine "Modifikation" des Epigenoms aus-gelöst werden – und damit eine Veränderung von Stoffwechselabläufen in ein-zelnen Zelltypen oder dem gesamten Organismus.

Ergänzend prägt der Film die Begriffe "Proteom" und "Metabolom".

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Im letzten Abschnitt widmet sich der Film den übrigen 98% der DNA, der soge-nannten ncDNA – non-(pro-tein)-coding-DNA. Sie liefern keine direkte Vorlage für die Proteinproduktion (mRNAs), sondern transkribieren soge-nannte non-(protein)-coding-RNAs.

Solche ncRNAs wirken an Stoffwechselaktivitäten mit – als Transporteure, Re-gulatoren und Instrumente der körpereigenen Gefahrenabwehr. Der Film erwähnt einige bereits bekannte ncRNA-Typen (rRNAs und tRNAs). Dann werden miRNA und siRNA als "neue" ncRNA-Typen vorgestellt und ihre Funktion kurz erläutert. Für weitere Details wird auf den vierten Film verwiesen.

Als Fazit hält der Film fest, dass der traditionelle Genbegriff in der Wissenschaft heute neu de-finiert wird: Ein Gen ist dem-nach ein "DNA-Abschnitt, des-sen Transkription als Endpro-dukt entweder ein Protein oder eine funktionsspezifische RNA erzeugt".

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Gen-Inaktivierung durch DNA-Methylierung Laufzeit: 10:40 min, 2017

Lernziele: - Den Vorgang der "DNA-Methylierung" verstehen und erklären können; - Den "Acetophenon-Mäuse-Versuch" der Genetiker Brian Dias und

Kerry Ressler kennenlernen; - Beispiele der "Methylierungs-Modifikation" im realen Leben kennenlernen.

Inhalt: Dieser Film behandelt ausführlich die "DNA-Methylierung" als eine Methode der epigenetischen Genregulation. Mittels 3D-Animation "fährt" der Film in die DNA-Struktur hinein, bis an die Molekülstrukturen des Cytosins, der Phosphatgruppe und des Guanins. Dieses Di-Nukleotid wird chemisch mit Cytosin-phosphatidyl-Guanin (CpG) benannt. An solchen CpG-Orten kann eine Methylierung der DNA erfolgen.

Der Film zeigt, wie Enzyme vom Typ DNA-Methyltransferase (DNMT) Methyl-gruppen auf die Cytosin-Basen übertragen. Einzelne Methylgruppen stoppen eine transkribierende RNA-Polymerase, u.a. weil sie verhindern, dass sich der DNA-Doppelstrang zur Ablesung öffnet. Die Veränderung des Cytosins durch die angehängte Methylgruppe ist reversibel. Sie wird daher nicht als Mutation, son-dern als "Modifikation" bezeichnet. Das Enzym DNA-Demethylase (DDM) ent-fernt Methylgruppen und sorgt dafür, dass ein DNA-Abschnitt wieder transkribiert werden kann. Die CpGs fungieren also (mithilfe von DNMT und DDM) als "Tran-skriptionsschalter".

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Im weiteren Verlauf erklärt der Film den Begriff "CpG-Inseln" und zeigt, dass es zwei Arten von Genen gibt: Ständig abgelesene Gene ("Haushaltsgene") und Gene, die nach Bedarf an- und abgeschaltet werden.

Das DNA-Methylierungsmuster einer Zelle wird bei der DNA-Replikation während der Zellteilung (Mitose) auf die Tochterzellen übertragen. Der Film stellt dann die Frage, ob die Erfahrungen eines Individuums auch vererbt werden können?

Der Versuch der US-amerikanischen Genetiker Brian Dias und Kerry Ressler mit Labormäusen veranschaulicht diese Hypothese: Man ließ die Mäuse Aceto-phenon riechen, einen angenehm süßlichen Duft. Gleichzeitig versetzte man ihnen leichte, schmerzhafte Stromschläge. Nach kurzer Lernphase ergriffen die Mäuse bei Wahrnehmung von Acetophenon ängstlich die Flucht. Erstaunlich: Ihre Kinder zeigten das gleiche Verhalten, sobald sie Acetophenon rochen.

Der Film schildert dann die Ergebnisse der gentechnischen Untersuchung der Tiere: Durch Demethylierung eines Gens bildeten sich viele Acetophenon-Re-zeptoren und ein vergrößerter Glomerulus – "Acetophenon-Konditionierung".

Dann die Erklärung: Die DNA-Methylierungen von Mutter und Vater werden wäh-rend der Keimzellenbildung fast vollständig gelöscht. Aber auf rund 100 grundle-genden Genen in den haploiden Ei- und Samenzellen bleiben die Methylierungen erhalten - auch nach der Befruchtung. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff "genomische Prägung" erklärt.

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Der Film zeigt zwei Beispiele der sogenannten "Neu-Methyl-ierung" in Leberzellen und in den Zellen der Augenlinsen. Während der embryonalen Zell-differenzierung schaltet die Neu-Methylierung der DNA be-stimmte Gene ab, deren Pro-dukte in der spezifischen Zelle nicht benötigt werden.

Ein weiterführendes Beispiel zeigt die statistisch ermittelte Wahrscheinlichkeit, dass getrennt voneinander aufwachsende, eineiige Zwillinge bestimmte Krank-heiten entwickeln oder gesund bleiben. Ergebnis: Ihre ursprünglich identischen DNA-Methylierungsmuster entwickeln sich unter verschiedenen Umwelteinflüs-sen immer weiter auseinander. Es wird deshalb immer wahrscheinlicher, dass sie sich auch gesundheitlich unterschiedlich entwickeln.

Abschließend erklärt der Film, dass sich Methylierungsmuster im menschlichen Organismus im Laufe des Lebens langsam, aber mit großer Regelmäßigkeit än-dern. Die vom Humangenetiker und Biostatistiker Steve Horvath entwickelte Idee einer epigenetischen Lebensuhr wird kurz vorgestellt. Horvath bestimmt das Alter einer Person anhand ihres Methylierungsmusters bis auf wenige Monate genau.

Schlussbemerkung: Darwins alter Konkurrent Lamarck hatte mit seiner Hypo-these vielleicht nicht völlig Unrecht: "Lebewesen verändern ihren Phänotyp auf-grund von Umwelteinflüssen, Erfahrungen und erworbenen Fähigkeiten."

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Gen-Aktivierung durch Histon-Acetylierung Laufzeit: 6:50 min, 2017

Lernziele: - Den Vorgang der "Histon-Acetylierung" verstehen und erklären können; - Die gegenläufige Wirkung von Methylierung an Histonfortsätzen erkennen.

Inhalt: In diesem Film rückt die Beschreibung der Acetylierung in den Fokus. Sie findet an den Histonen der Nukleosomen statt.

Es folgt eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus eines Nukleosoms: Es be-steht aus 8 Histon-Proteinen und dem DNA-Strang, der mit 146 Nukleotiden knapp zweimal um die Histone geschlungen ist. Die 8 Histonfortsätze sind poten-zielle Andockstellen für die Acetylgruppen.

Anschließend geht der Film auf die Wirkung einer solchen Histonacetylierung nä-her ein und erklärt vorab, dass die enge Wicklung der DNA um die 8 Histone durch die Ladungsunterschiede zwischen Lysin-Aminosäureresten (positiv) am Histonfortsatz und der DNA (negativ) zustande kommt.

Im Folgenden beschreibt der Film, dass das Enzym Histon-Acetyltransferase (HAT), für die Anlagerung von Acetylgruppen an einen oder mehrere Histonfort-sätze sorgt. Das Lysin gibt dabei das angelagerte Proton ab und verliert somit seine positive Ladung.

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Die 3D-Animation veranschau-licht, dass die gegenseitige An-ziehung zwischen Histonen und DNA verloren geht und sich die DNA-Wicklung lockert. Dadurch öffnet sich das Nukleosom, eine RNA-Polymerase kann ando-cken und eine mRNA transkri-bieren. Das Gen auf diesem DNA-Abschnitt ist aktiviert.

Der Film zeigt, dass auch die Acetylierung reversibel ist. Das Enzym Histondeacetylase (HDAC) kann die Acetylgrup-pen wieder von den Lysin-Bau-steinen lösen. Durch erneute Protonenanlagerung wird die DNA-Wicklung wieder enger und das Gen ist epigenetisch deaktiviert.

Desweiteren zeigt der Film, dass Histonfortsätze auch methyliert bzw. demethy-liert werden können. Mitwirkende Enzyme sind hier HMT (Histon-Methyltrans-ferase) und HDM (Histon-Demethylase). Bei dem Zusammenspiel der verschie-denen, chemischen Markierungen ergeben sich spezifische und sehr komplexe, epigenetische Muster auf den Histonen.

Abschließend stellt der Film die Begriffe "Hetero-Chromatin" und "Eu-Chromatin" kurz vor und schafft eine Überleitung zum Thema des nächsten Films: Der Gen-Inaktivierung durch mi- und siRNAs.

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RNA-Inaktivierung durch mi- & siRNAs Laufzeit: 8:30 min, 2017

Lernziele: - Entstehung und Funktion verschiedener mikro-RNAs kennenlernen; - "Gene silencing" und "RNA-Interferenz" (RNAi) prinzipiell verstehen; - Die unterschiedliche Wirkung von mi- und siRNAs erkennen.

Inhalt: Zu Beginn konstatiert der Film noch einmal, dass große Bereiche des menschli-chen Genoms u.a. etwa 1300 mikro-RNAs codieren. Es folgt eine detaillierte Schilderung der Entstehung und Funktion von mi- und siRNAs.

Der Film stellt die beiden Biochemiker und Nobelpreisträger Craig Mello und Andrew Fire vor. Sie entdeckten ein Verfahren, mit dem man gezielt einzelne Gene stumm schalten kann ("gene silencing"): Ihrem Studienobjekt, dem Faden-wurm "Caenorhabditis elegans", schleusten sie über die Nahrung mithilfe gen-technisch veränderter E-Coli-Bakterien doppelsträngige mikro-RNAs ein.

Die 3D-Animation zeigt den DNA-Bereich eines protein-codierenden Gens: Eine Polymerase dockt dort am Promotor an und transkribiert eine mRNA, die nun (theoretisch) für die Protein-Translation bereit steht. Gleichzeitig wird an anderer Stelle auf der DNA ein Gen aktiv, das für die Produktion einer mikro-RNA codiert. Dieser Vorgang läuft in mehreren Schritten ab:

Eine mehrere hundert Basen lange pri-miRNA wird vom Gen transkribiert und formiert sich in einer außergewöhnlichen Sekundärstruktur. Der RNA-Strang legt sich zur Schleife und bildet komplementäre Bereiche aus.

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Ein Enzym mit der Bezeichnung "Drosha" lagert sich an und be-schneidet die pri-miRNA zur prä-miRNA (wegen ihrer spezi-ellen Form auch "Haarnadel-Komplex" genannt). Im nächs-ten Schritt trennt ein Enzym na-mens Dicer den Haarnadelkopf ab – fertig ist die doppelsträn-gige miRNA.

Dann lagert sich diese miRNA mit speziellen (Argonauten-) Proteinen zu einem sogenannten "RNA-induced silencing complex" (prä-RISC) zusammen. Die miRNA spaltet dann einen Einzelstrang ab. Es entsteht der RISC-Komplex mit einem miRNA-Einzelstrang, dem sogenannten Leitstrang.

Der RISC-Komplex kann sich mit diesem Leitstrang basen-komplementär an die anfäng-lich gebildete, zelleigene mRNA anlagern, sie zerschneiden oder zumindest an der Transla-tion hindern. Das ist die RNA-Interferenz, die ein Gen ab-schaltet (engl. "gene silen-cing").

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Die "siRNA" (small interfering RNA) wird nun ebenfalls kurz erläutert: Sie funkti-oniert ganz ähnlich wie die miRNA, mit dem Unterschied, dass sie nicht zellei-gene mRNA, sondern eingedrungene, zellfremde RNA an der Translation hin-dert. Zu diesem Zweck wird eine siRNA direkt von der Fremd-RNA abgelesen und zum Doppelstrang dupliziert. Dieser wird dann vom Dicer-Enzym in kleine Stücke geschnitten, die mit Argonauten-Proteinen RISC-Komplexe bildet.

Ein solcher si-RISC-Komplex bindet basenkomplementär an die ursprüngliche "Kopiervorlage Fremd-RNA" und unterbindet ihre Translation.

Abschließend erklärt der Film, dass es sich bei den Genen, die zur Herstellung von mi- und siRNAs transkribiert werden, um evolutionsgeschichtlich sehr alte Gene handelt. Man findet sie in Bakterien, Tieren und Menschen. Der Anteil von mikro-RNA-codierenden Genen im Genom nimmt bei höher entwickelten Tieren stark zu, was ihnen offensichtlich einen evolutionären Vorteil verschafft hat.

Der Film schließt mit der Zusammenfassung: Das mikro-RNA-System ist gemein-sam mit der (DNA-) Methylierung und der Histonacetylierung Teil des epigeneti-schen Codes.